鋰電設備升級：特斯拉首推4680，新技術能否助力電池突破極限？

2022年10月15日19:19:16 熱門 1113

（報告出品方/作者：華西證券俞能飛）

1.特斯拉首推4680，新技術助力電池突破極限

1.1.工藝有所變革，電池性能大幅提升

鋰離子電池根據不同的封裝形式，電池被劃分成了圓柱電池、方形電池和軟包電池。

圓柱電池發展時間最長，技術最為成熟，其標準化程度較高；方形電池在國內的普及率很高，生產工藝簡單；軟包電池採用了疊加的製造方式，在體積上相比於其他兩類電池更加纖薄，體積更小。

特斯拉嘗試通過將圓柱電池尺寸變大的方式使之更加適用於電動汽車的需求。

特斯拉於2020年9月，在“特斯拉電池日”上發布了“4680電池”，即單體電芯直徑為46mm、高度為80mm的圓柱形電池。

相比18650和21700電池，4680尺寸更大，能量密度更高。

據特斯拉於2020年超級電池日上的介紹，4680電池單體電芯的能量提升了5倍，輸出功率提升6倍，配合著新的裝配工藝，可以讓電動車續航提升54%，每千瓦時電池價格下降56%，生產成本降低69%。

4680電池一方面其設計、生產工藝具有革新性，如特斯拉發布的4680電池主要採用應用以下幾項重要技術：

1）採用無極耳，建立卷繞式電芯新標準；

2）負極採用硅基負極，突破現有鋰電材料能量密度限制；

3）採用乾電極，樹立動力電池新標準。

1.2.無極耳技術降低電池內阻，兼顧性能與安全

極耳是從電池正負極集流體中引出了的金屬導電體，與電池殼體（圓柱/方形）或者與外部模組結構件（軟包）進行連接，電流必須流經極耳才能與電池外部連接。

根據極耳數量、面積差異極耳可以分為單極耳、雙極耳、多極耳以及無極耳（又稱全極耳）等類型，18650 或 21700 電池體積較小，多採用單極耳方式，極耳細長不利於電流傳導，電池充放電時極易導致極耳和極耳連接處局部熱量過大，成為影響電池安全的關鍵瓶頸。

無極耳電池是將整個正/負極集流體都變成極耳。

通過集流體與電池殼體或集流盤的全面積連接，大幅降低電池內阻和發熱量，解決高能量密度電芯的發熱問題，並提高充放電峰值功率，幫助突破圓柱電池做大的瓶頸。

無極耳並不是意味着電池結構中沒有無極耳，相反則是在正極或負極上增加很多極耳。

根據特斯拉專利可以看到 4680 電池的結構中正極上分布着均勻的極耳，負極則沒有極耳結構，將負極直接與電池殼組合在一起，相當於整個電池殼便成為了一整個負極。

特斯拉 4680 無極耳電池把整個集流體都變成極耳，導電路徑不再依賴極耳，電流從沿極耳到集流盤橫向傳輸變為集流體縱向傳輸，整個導電長度由1860或者2170 銅箔長度的 800-1000mm變成了 80mm（電池高度）。

傳統的圓柱體電池都是卷繞方式，分為正負極銅箔、鋁箔隔膜疊加起來卷繞，為了引出電極會在銅箔和鋁箔兩端分別焊接一個引出線叫極耳。

傳統的 1860 電池卷繞長度是 800mm，以導電性更好的銅箔為例，極耳從銅箔上把電導出來長度最長為800mm，相當於電流要通過800mm 長的導線。

通過計算得到電阻大約是 20mΩ，2170 電池更粗一些卷繞長度大約是 1000mm 長電阻約 23mΩ，這麼長的銅箔為保證低的電阻，對銅箔厚度和一致性都會有極高的要求。

計算特斯拉無極耳電池的電阻，將導電長度，代入銅電阻計算公式後電阻一下子就降到 2mΩ，根據歐姆定理計算，電池內阻消耗由 2 瓦特一下子降到 0.2 瓦特，直接降低一個數量級。

無極耳設計主要優勢如下：

1）提升安全性。

傳統的單極耳最後的電流就會在單極耳上匯流出來，所以單極耳會有一個發熱點，就是極耳的地方。但是無極耳電池在電池內部是沒有集中發熱點的，熱都是在裡面均勻分布的，這樣對電池的整包會帶來一個熱管理方面的很大優勢。另外特斯拉採用的4680電池直接脫掉了外殼來散熱。

2）降低生產成本。

國內大圓柱電池研發公司比克電池提到，採用無極耳4680大圓柱對 BMS 各方面的管控要求會少很多，成本也會下降。4680電設備容量為25Ah，而原來18650 為 3Ah，存在 8 倍以上的差距，意味着原來一個電池包需要 8000 多顆 18650，現在只需要 1000 節 4680。

3）快充性能提升。

15 分鐘內可將電池從 0 充至 80%的電量，即一輛續航 600 公里的車，在充電站停 10-15 分鐘，可以滿足 400-500 公里續航。

1.3.石墨負極已達理論天花板，硅基負極或迎來春天

當前石墨負極已十分接近理論容量天花板（372mAh/g），硅是目前負極材料中比容量最高的。但硅基負極目前成本過高（普通石墨 3 倍以上）。

目前主流的方案是將硅氧和硅碳復配石墨後再使用，常規的型號有400、407、420、450、550、650mAh/g，普遍在 400Mah/g 以上。

與石墨類負極材料相比，硅基負極材料具有超高的理論比容量和較低的脫鋰電位，在對鋰離子電池能量密度的要求逐步提高，及電池廠商對於高鎳體系掌握的逐步成熟的背景下，石墨負極體系向硅基負極體系升級成為主要方向。

近年來，硅基負極材料的應用已逐步展開，下游以特斯拉為代表的汽車廠商已搭載由硅基負極製造的動力電池。

目前，商業化程度最高的兩種硅基負極材料分別為碳包覆氧化亞硅、納米硅碳。

伴隨着下遊客戶對電動汽車動力電池性能要求的不斷提升，硅碳負極的增長存在一定想象空間。

1.4.乾電極技術支撐無極耳，電池性能提升之根基

無極耳電芯技術路徑的實現依靠乾電極技術。乾電極技術，是一種正/負極材料壓制技術，具體是將少量細粉狀粘合劑（PTFE）與正極或負極材料混合，通過薄膜沉積技術形成電極材料帶，隨後再壓延在金屬箔集流體上形成成品電極——最終表現為覆蓋電極膜的基板。在無極耳電芯中，特斯拉是用電極膜基板（部分）取代了極耳的作用。

基於乾電極技術的電極膜基板，它對於卷繞式電芯的貢獻在於基本將疊片式電芯的優點進行吸收。

以當前全球電動車產業發展態勢為參照，乾電極技術可被稱得上是動力電池科技樹的最頂端成果之一，該技術的完全突破，也將意味着下一代動力電池——固態電池的正式落地。

2.4680新技術帶來設備需求更新

2.1.輥壓前需退火，塗布機一致性要求更高

輥壓前需要對留白部分加熱退火處理。全極耳極片在輥壓時由於極片上存在留白區，直接輥壓無法保證輥壓時極片保持平整，因此需要退火處理。

退貨後，鋁箔晶粒回復再結晶，由典型的軋制帶狀變成等軸狀，內應力逐漸消除，鋁箔塑性升高，質感變軟，同時電阻變低，在輥壓過程中留白部分可以與塗布區域一起協同變形，極片翹曲程度降低，留白處無褶皺。

全極耳極片與單極耳和雙極耳等極片塗布時不同，正極需要留白而負極可以實現整體塗布。

正極部分留白的部分為魚鱗狀的全極耳，並且留白的寬度不是固定的，因此會對塗布機的一致性提出更高的要求。

同時，採用全極耳結構無需採用間隙塗布在留白的地方留出極耳位置，而可以利用連續塗布方式提高塗布質量與效率。

採用全極耳結構，單機片的正極、負極的塗布面積與塗布長度都會顯著上升，因此塗布機連續塗布要求升高。

根據鋰想生活設計的 4680 電池模型與 21700 以及 18650 模型的對比，4680 電池單片正極塗布長度達到 627314.83mm，是 21700 塗布距離的5.8倍，負極雙面塗布長度達到4319.7mm，為21700電池的5倍，即 4680 正極極片長度為 21700 長度 5 倍，但塗布長度卻提高 5.8 倍，從而使電池具備更高的能量密度。

當前我國塗布機市場中主要玩家為贏合科技、嘉拓智能（璞泰來子公司）、浩能科技（科恆股份子公司）。

贏合、嘉拓、浩能的主要產品均可實現連續塗布，其中贏合幅面寬度最大，達到 1600mm；浩能科技塗布速度最快，達到 120m·min；當前主流產品的密度精度都在 1.0%左右，差距較小。

2.2.卷繞機競爭格局有望重新分配，極耳切割焊接工藝要求高

卷繞工藝是將小條陰陽極片、隔膜卷繞成裸電芯。卷繞機屬於鋰電池電芯製造中段設備的核心。

卷繞機將模切成型的極片卷繞成鋰離子電池電芯，在卷繞過程中張力控制精度、糾偏能力、卷繞效率等都是影響電池產品質量的關鍵。

4680電池的新技術將對卷繞機提出更高的要求。

卷繞機當前市場主要競爭者為先導智能、贏合科技、利元亨。先導智能已經開發出圓柱全極耳電芯自動卷繞機並已成功上市，具備先發優勢。贏合科技在今年2月份成功推出 18ppm 大圓柱卷繞機。

4680 電池是直接在空箔上切割極耳成型，對高速製片設備提出了更高的激光切割技術、速度、精度、質量要求。

海目星高速激光製片機設備為鋰電池極耳切割優質設備。

公司於招股說明書中披露，2019年 12 月公司首獲新能源汽車巨頭特斯拉的訂單，訂單總金額為 1105 萬美元，以高速激光製片機為主。

當前，海目星具有立式與卧式兩種高速激光製片機，都具備鋰電池正負極片單邊或雙邊切極耳的功能，可同時生產 8 條極片。

設備均採用單側大板，懸臂式支撐結構；可全面代替傳統五金模切設備；速度高、加工產品一致性好、使用成本低。

鑒於海目星極耳切割技術曾得到特斯拉深度認可，本次特斯拉 4680 電池生產中公司有望參與到產業鏈中。

除極耳切割外，4680 電池極耳焊接也由於極耳數量的增多使焊接量增大。

電芯焊接中道工藝一般有極耳的焊接（包括預焊接）、極帶的點焊接、電芯入殼的預焊、外殼頂蓋密封焊接、注液口密封焊接等，後道工藝有電池 PACK模組時的連接片焊接、以及模組後的蓋板上的防爆閥焊接。

其中，圓柱形電池有兩個正負極流體與電芯焊接，極流體與底部和殼體有兩個連接片的焊接，兩個端蓋的焊接和注液孔的焊接，焊接工序相比增加，而且由於圓柱電池體積小於方殼電池，同樣電量的電動車需要搭載圓柱電池的數量數倍於方殼電池，需要更多的焊接設備進行加工。

另外，極耳數量的增加對焊接的精度、質量、一致性要求更高，對焊接機器的使用穩定性做出了新的要求，對焊接及密封可靠性的要求更高。

極耳焊接當前通常採用激光器進行焊接。

激光器具備佔地面積小、激光焊接沒有空氣及噪音污染、耗電率低，電光轉換率高、設備損耗低，以及可自行調整焊接速度、焊接深度、焊接寬度等優勢，適應不同材質及產品的焊接，達到精準焊接，質量更可靠，外觀更整潔。

當前我國極耳激光焊接主要廠商為聯贏激光、大族激光以及光大激光。

目前，聯贏激光公開表明已布局 4680 電池焊接技術，已處於樣機裝配調試中。

聯贏在 2021 年中報中披露，已完成圓柱電池裝配線的樣機設計，目標匹配滿足 21700、32131、4680 等圓柱電池的自動化裝配生產，目前處於樣機裝配調試中。

2.3.揉平工藝產生新需求，電池殼工藝方向仍有分歧

全極耳極片由於其極耳數量較多，直接進行裝配會使極耳摺疊導致卷繞後不平整的現象，因此需要揉平工藝保障極片平整。

傳統揉平方法對整個產品的質量造成較大影響，也會降低產品的合格率和安全性能。

當前傳統的全極耳揉平方法主要以通過揉平機的揉平頭直接接觸在全極耳上，再隨着揉平頭的自轉靠近全極耳後，碾轉帶動全極耳揉平在卷繞電芯的端部。

在這樣的揉平方法中，由於揉平頭直接與全極耳接觸摩擦，往往會將柔軟的全極耳部分揉碎，該揉碎的碎末顆粒就會進入圓柱型鋰電池的正極端或負極端之間而產生短路。

因此，新型全極耳揉平機的開發有望得到市場重視。目前，逸飛激光（擬 IPO）與寧波鼎新（非上市公司）已經針對全極耳揉平工藝進行針對性研發。

4680 電池尺寸比 21700 電池大了許多，對電池殼有了新的要求，其工藝迎來新挑戰。

首先，雖然目前 4680 所使用的卷繞技術相對比較成熟，但 4680 電池在增大尺寸的同時，減少了電芯，每個電芯在充放電時都要承受更大的電流，發熱也會更多，且成組後體積能量密度稍低，從而對電池殼的散熱提出了更高的要求；

其次，採用何種方式進行電池殼封口依然存疑，若採用焊接方式封口，由於焊接精度不高的問題可能需要二次補塗並烘乾，從而導致電池性能下滑。

寧波精達：於 2021 半年報中披露，鋼殼 4680 的拉伸設備也已完成樣機生產。

其次，圍繞新能源汽車核心零件電池外殼生產設備，採用多種解決方案，以多連桿和伺服方式設計的鋁方殼拉伸設備，已批量推向市場。

新一代的圓殼拉伸設備即以沖杯機和凸輪機連續生產線，可達到每分鐘 1000 個的生產效率將於下半年完成研發。

斯萊克：研發出全自動研發出電池殼自動化生產線，這種設備在國內還是空白。

該生產線具有成型、清洗、檢驗、包裝等功能，其生產工藝與現有國內市場上使用的設備不同，生產出的電池鋼殼一致性更好，生產線效率更高，使用的人員更少，相對成本較低。

同時斯萊克正準備導入其全新的 DWI生產線（DWI即 Draw Wall Ironing 是易拉罐生產線特有的核心工藝，將殼體減薄拉伸的過程），進一步提高生產效率與生產精度，若未來將 DWI 用於生產電池殼預計會提升其核心競爭力。

值得注意的是，4680 電池殼尺寸與 330ml 的易拉罐形狀非常相似，生產工藝上存在一定相同性，斯萊克作為易拉罐生產設備提供商技術互通。

亞威股份：金屬成形機床龍頭企業，國內折彎機和衝壓機床市佔率領先。

公司目前推出小噸位伺服壓力機產品，實現小批量出貨。伺服壓力機產品國內市場規模約 300 億元，國內普及率 5%以內，國外如日本等國家普及率達到 90%。伺服壓力機能夠有效生產 4680 電池殼，未來隨着 4680 電池放量，是公司未來潛在增長點。

科達利：已布局 4680 電池殼業務。

作為動力電池精密結構件國內供應龍頭，具備生產從電池圓殼、複合級柱、蓋板等多種零部件的能力。11 月 8 日科利達在投資者問答中表示公司已具備生產 4680 電池的技術積累和生產各圓柱電池精密結構件的能力。

震裕科技：從事精密級進衝壓模具及精密結構件的研發、設計和生產。

公在動力鋰電池精密結構件方面擁有豐富研發、生產經驗及能力。公司結構件業務深度綁定寧德時代，鋰電事業部成立以來寧德時代業務佔比達到 90%以上。

3.鋰電企業紛紛加速布局4680，量產或即將來臨

4680電池一經推出便迎來整個行業的高度重視。

當前入場的玩家既包括松下、LG、億緯鋰能在內的鋰電貴族，也有如比克電池一樣試圖實現彎道超車的新玩家。

4680正處於技術起步期，成熟的生產技術仍要持續的研發。

比克電池：國內首發4680全極耳大圓柱電池的電池企業。

比克電池於2021年3 月透露，正與國內和海外多個客戶合作進行全極耳大圓柱電池的應用開發，4680電芯樣品預計年內實現批量下線。

億緯鋰能：

2021年11月6日公告將投資20GWh 乘用車用大圓柱電池生產線及輔助設施項目總額約為32 億元（包含增值稅），建成達產後預計可形成20GWh/年的乘用車用大圓柱電池產能。

公司於2021年4月與StoreDot 簽訂協議，雙方就電動汽車4680電池分三個階段進行合作，有效期至2024年12月31日。

第一階段雙方將聯合研發和樣品測試，供StoreDot、億緯鋰能和電動汽車潛在合作夥伴評估；

第二階段將小批量生產；

第三階段將成立合資企業，生產的產品擬用於電動汽車。

目前億緯鋰能已布局了46800和46950兩大型號，2023年後會逐步將大圓柱電池進行市場推廣。

江淮汽車：

2021 年 2 月，江淮汽車與 CBAK 能源科技簽署了一項為期三年的聯合產品開發戰略協議。CBAK 能源科技將根據江淮的技術要求，為動力電池和電池組提供定製化方案，雙方還將聯合開發 4680 鋰電池及電池組。

雙方將成立一個聯合研發團隊，設計、測試並增強其新產品在電動汽車領域的適應性。此外，江淮汽車還承諾，優先在其未來生產的電動汽車使用雙方聯合開發的電池和電池組系統。

松下：

10 月 26 日，松下首次展示了其為特斯拉打造的新型 4680 電池試製品。松下電池部門負責人 Kazuo Tadanobu 表示，新電池的容量是以前較小型號的五倍。該電池根據特斯拉的需求開發，松下計劃將其供應給特斯拉，將於 2022 年 3 月在日本的一家工廠開始“試生產”新型 4680 電池。